SACLA電⼦源ビームの⾼輝度化に向けて
Toward higher brightness beam of theSACLA electron source
渡川和晃／理化学研究所
e-mail: togawa@spring8.or.jp

2023年8⽉31⽇
第20回⽇本加速器学会年会

⽇本⼤学船橋キャンパス

Content• はじめに• ⾼輝度熱電⼦源の課題• 電⼦銃の⾼電界化• 低仕事関数カソード開発• 低エミッタンスビームのXFEL調整• 最後に
元ネタ: 第26回FELとHigh-power Radiation研究会, 2019年12⽉17⽇, 広島⼤学
ビーム物理研究会, 2020年12⽉9⽇, リモート開催 における報告など

はじめに

はじめに
• CeB6熱電⼦銃 はXFEL施設SACLA および軟X線FELビームライ
ン専⽤加速器SCSS+の電⼦銃としてユーザー利⽤運転のために低エミッタンス電⼦ビームを供給し続けて、2021年にはSPring-8蓄積リングへのSACLA⼊射が始まった。
• SACLAではパルス幅約10 fs、ピークパワー100 GWレベルの極短パルスXFEL光を発⽣し⾼密度XFEL光の利⽤実験に使われているが、更に⾼い強度のXFEL光を望むユーザーは当然ながら少なくない。
• その要求に応えるために、電⼦ビームの低エミッタンス化に着⽬してそれを実現するための⽅策を考案した。

SACLA電⼦銃の整備
電⼦銃テストスタンド

SACLA電⼦銃タンク交換システム

前平晃太郎 他, “SACLA電⼦銃システムの交換作業効率化のための機器整備”, 第20回⽇本加速器学会年会 (2023) WEP36

CeB6 熱電⼦銃
B6CeP. F. Walch et al., Phys. Rev. B 15 (1977) p.1859

K. Togawa et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 10 (2007) 020703

規格化エミッタンス: 0.6 μm (90% core)⾼輝度熱電⼦源の課題

XFELの強度を増強するために• 現在、SACLAのFELパルスエネルギーは700 #$@10'()。
• Machine learningを駆使するなど、⾼出⼒を追い求めてビーム調整を続けてきた結果、XFEL光のパルス幅は10 *+以下にまで短くなった。
• バンチ圧縮の⾮線形補正に可能性は残されているが、縦⽅向の電⼦密度としてはおそらく極限状態に達しているであろう。Longitudinal compression• もう⼀つの可能性として、熱電⼦源のエミッタンスを極⼩化して横⽅向の電⼦密度を⾼め、XFELパルスエネルギーの増強を⽬指す。Transverse compression

XFEL出⼒のエミッタンス依存性
3次元のFEL解析モデル（M. Xie, PAC95）を使ってエミッタンスの効果を調べる。
!"#$ ≈ 1.6)*+,*-.

!/0#1 = 3(56 , 89 , … ) !/0#1

エミッタンスとピーク電流以外はSACLAのパラメータを使⽤。
< = 1.18×10@AB C（FEL波⻑）DB = 15657（8 GHI, 電⼦エネルギー ）<J = 18 CC, K = 2.1（アンジュレータパラメータ）
M = 22 C（ベータ関数）
NOPQ= 1×10@R （エネルギー広がり）FEL出⼒のエミッタンス依存性

Transverse compression

Longitudinal compression

エミッタンス低減の効果が顕著に⾒えてくるのは!" ~0.1 '(。

熱電⼦源のエミッタンス
エミッタンスの基本式!" = $%

&'

&′'

=&'

123412516 781339267 =)* +,- .

=&'/0,- . +)* +,- .

8792 34925:7457 7274;< =>? = ?@熱電⼦源カソードではAB!" = 'CD E,- . +

4. : 693ℎHI7 49I1J5,>: 378L7393J47

⽬的とするエミッタンス、カソードが動作する温度の領域でエミッタンスがどのように振る舞うのかを知ることが重要。

熱電⼦源のエミッタンス
SACLAのCeB6 電⼦銃のエミッタンスは0.6 $%程度、カソード半径は1.5 %%、動作温度は1700 ) (1427℃)あたり。
この領域では温度依存性が⾮常に⼩さいため、エミッタンスはカソード径が⽀配的。
とにかく径の⼩さいカソードを開発しなければならない。
忘れてならないことは、温度/以外のエミッタンスを悪化させる 01 2 /%4 5の要素を取り除くこと。

温度以外の要素（surface roughness）
カソード表⾯の突起が運動量分布に及ぼす影響のモデル計算。
⾓度分布のrmsが最⼤値の1/3であると仮定すると、要求される表⾯祖度は100 #$以下。
SACLAの電⼦銃がCeB6 の単結晶を使⽤している理由の⼀つはこれ。
AFM の測定でLaB6(100)の表⾯祖度が1 nm以下との報告あり。
H. Yamaguchi et al., Appl. Phys. Lett. 112 (2023)
141901

サイズで規格化した規格化エミッタンス

Y. Y. Lau, J. Appl. Phys. 61 (1987) p.36ℎ='温度以外の要素（space charge）
カソード近傍ではビームエネルギーが低いため空間電荷による相互作⽤が⼤きいが、密度が⼀様なビームの内部では空間電荷⼒が線型であるためビームは⼀様に広がりエミッタンスは原理的に悪化しない。
密度分布にムラがあると、空間電荷⼒のバランスが崩れて電⼦軌道が交差し層流が崩れる。
エミッタンスへの寄与を⾒積もる計算モデルが欲しいところ。
SACLAでCeB6の単結晶を使っているのは⼀様なエミッション密度を得るため。

空間電荷流のユニバーサルカーブ!" #1=!$ " 2#

エミッション密度と課題
カソードを⼩さくすれば当然エミッション密度を上げなければならない（! ∝ #$%& ）が、昇温には限界がある。
Richardson⽅程式（+Shottky効果）&! = () *+, −?

>?@@ = > − &./00
12 3?ABCDE>>?@@: emission density: effective work function

PQ>: work function of cathode material
PQ : surface electric field
低仕事関数カソードの開発、⾼電界電⼦銃の開発が重要。

電⼦銃の⾼電界化

CeB6カソードの⾼電界化
SACLAのCeB6カソードの半径は&' = 1.5 ++&' = 0.5 ++からSACLAの標準ピーク電流1 ,を得るには- = 127 ,/0+1
CeB6電⼦銃の実験値は, = 19.1 ,⁄0+1&' = 0.5 ++4 = 2.39 67
89 = 12.6 ;7/+（計算）
⽬標のカソード温度は< = 1975 =融点以下で不可能ではないが、蒸発速度や寿命に不安要素。

&' = 1.5 +++250℃CeB6カソードの⾼電界化
Shottky効果を利⽤して仕事関数を⼩さくし動作温度を下げる。
現CeB6電⼦銃はShottky効果によりエミッションが30%増⼤。
!" を40 %&/(まで上げることができれば現実的になってくる。
Large !"

⾼電界加速電極
パルス電圧は現状の500 #$より上を狙うのは得策ではない。
Gapを狭めてカソードの表⾯電界を上げる。
現在、電極材料に清浄ステンレスを⽤いているが、20 &$/(程度が限界であろう。
新しい試みとしてtitanium製ウェネルトとmolybdenum製アノードの組み合わせを試験中。
参考⽂献

F. Furuta et al., Nucl. Instr. and Meth. A 538 (2005) p.33
M. Yamamoto et al., Appl. Phys. Lett. 109 (2016) 014103

⾼電界を狙うには、パルス幅を現状の3 *+から100 -+レベルに狭めたパルス電源の開発も重要。

⾼電界加速電極
Ti wehnelt
Clean-SUS!"# = 50 ''Mo anodeTi-Mo!"# = 50 ''※⻑時間の⾼温加熱によりTiが再結晶化し放電が多発。ひとまず中断。

⾼電界加速電極
⾼電界molybdenum加速電極（⾚線部）を開発中。
⾼純度molybdenum材+ダイヤモンドペースト鏡⾯研磨。
カソード電界40 #$/&を⽬標。

CeB6電⼦銃の原案
K. Togawa et al., 26th Linear Accelerator
Meeting in Japan (2001)

低仕事関数カソード開発

仕事関数測定装置
⾼温カソードの量⼦効率スペクトルから精密な仕事関数を測定する装置をJASRI⾺込保⽒を中⼼として開発。
新規カソード開発、カソード劣化の原因調査に活⽤する。
カソード試験チャンバー
パルスレーザー

T. Magome et al., Journal of Applied Physics 133 (2023) 165107
⾺込保 他, “ナノ秒パルスレーザを利⽤した光電⼦収量分光法によるSACLA熱カソードCeB6の仕事関数の測定” , 第20回⽇本加速器学会年会 (2023) THP38

CeB6系カソードの低仕事関数化1) LaB6 結 晶 の 表 ⾯ に 1 原 ⼦ 層 の h-BN（hexagonal boron nitride）をコーティン
グ す る と 仕 事 関 数 が 低 下 す る こ と が Los
Alamos国⽴研究所のグループにより報告された（H. Yamaguchi et. al. Appl. Phys. Lett. 112 (2023)141901）。当グループと協⼒しCeB6熱電⼦カソードでも効果があるかを研究中。
2) 窒素原⼦をLaB6 にドープすると仕事関数が低下するとの報告が他グループからなされている。CeB6をベースとした低仕事関数カソードを探索する。

LaB6hBN

表⾯Dipole fieldhBNの結晶構造
Wikipediaより

3) 励起レーザーで結晶内電⼦のエネルギーを上げ、相対的に仕事関数を下げる可能性も検討。

Iridium-cerium (IrCe) カソード
KEKの吉⽥光宏⽒が⼤電流を必要とするKEKB⽤RF電⼦銃のために⾼い量⼦効率を有するフォトカソードとして導⼊。
仕事関数が希⼟類ホウ化物と同程度に⼩さく（ϕ = 2.57 '(）、熱エミッションの密度も⾼いとのこと。
カーボンとの相性が悪いのが悩みどころ。
⾼融点⾦属を使いKEK吉⽥Lab.にて製作、実験。5.7 )(、0.2 +の電⼦ビーム引き出しに成功。より安定なヒーター、カソード保持⽅法を開発中。

遷移⾦属炭化物カソード
遷移⾦属炭化物カソードに注⽬（HfC, etc.）。
融点が⾮常に⾼くて超⾼温の環境には強そうだが、仕事関数はそれほど低くない（ϕ~3.5 &'）。
CeB6レベルの低仕事関数材もある（酸化物）。
効率良く加熱できるヒーター開発が鍵となる。

W. Hayami et al., ACS Omega 6 (2021) p.14559

APTECH社ホームページより転載

低エミッタンスビームのXFEL調整

低エミッタンスビームのXFEL調整
SACLA⼊射部のビームエンベロープ

エンベロープは低エネルギー部
では空間電荷⼒が⽀配的で、エミッタンスは殆ど影響なし。
電⼦銃コリメータで条件接続。
⾼エネルギー加速部ではダンピング効果で低エミッタンス化により⾃然にビーム径が縮⼩。

仮想電⼦源

カソード

電⼦密度の変化によるビーム航跡場やコヒーレント放射の影響の変化に注意すべし。

最後に

最後に
• SACLAはR&D開始から20年、供⽤開始から10年が経過し、次世代のアップグレードを計画する時期に差し掛かっている。
• 将来、⾶躍的に増⼤したピーク輝度を持ちかつ安定なXFEL
光をユーザーに提供することが求められる場合には、電⼦源の技術的選択肢として熱陰極⽅式が適しているのか光陰極⽅式が適しているのかを再び検討し直し、⻑期利⽤運転も含めた総合的な⾒地から⽅式を選択しなければならない。
• 今回述べた熱電⼦銃のアップグレードはその重要な判断材料の⼀つになると考えている。